基于單片機的雙模糊溫度控制器設計

摘要：傳統的溫度控制存在難以建立精確的數學模型以及控制性能較差等缺點，為此，在基本模糊控制理論基礎上提出一種雙輸入單輸出的雙模糊溫度控制器，根據系統不同的工作狀態(tài)采用不同的模糊溫度控制器。并結合單片機技術，設計了體積小、功能強的雙模糊溫度控制器，給出了溫度控制器的硬件及軟件設計思想與方法。該控制器簡單易行，能有效改善溫度控制性能，提高溫度控制的穩(wěn)定性。
關鍵詞：雙模糊控制；單片機；溫度控制；控制策略

現代工業(yè)控制中，溫度控制十分重要且日益復雜化。由于溫度控制具有的非線性、大滯后、時變性、升溫單向性等特點，在實際應用中難以建立精確的數學模型，無法用經典控制理論及現代控制理論來解決實現溫度控制效果。目前，現代智能控制中不依賴對象數學模型、能有效控制時變和非線性系統的模糊控制已普遍應用于工業(yè)溫度控制中。通過對溫度的基本模糊控制，可達到較好的控制效果，但存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差，難以達到較高的控制精度。若根據系統不同的工作狀態(tài)采用不同的溫度模糊控制，即雙模糊控制，可大幅度改善穩(wěn)念誤差，提高控制精度，同時利用單片機作為主控芯片，可有效完成溫度模糊處理及溫度實時控制且可靠性高。

1 控制器功能及硬件設計
雙模糊溫度控制器主要以單片機為主控芯片，主要負責溫度的模糊化處理、模糊控制算法實現、輸出溫度的大小控制處理。工業(yè)現場溫度通過溫度傳感器采集，傳感器輸出信號經變送器轉變?yōu)?～5 V的標準信號，經A／D轉換后與溫度設定值進行比較，得到溫度誤差信號e及溫度變化率ec，并在系統初始階段和穩(wěn)態(tài)階段將兩者送入不同的單模糊控制器進行模糊處理，得到輸出控制量u，經隔離放大后控制功率可控硅改變加熱元件功率，從而完成溫度的調節(jié)。其溫度控制系統原理框圖如圖1所示。

溫度控制器主控芯片采用ATMEL公司的AT89S52單片機，該單片機是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8 kB在系統可編程Flash存儲器和256B RAM，32位I／O線，3個16位定時器，6個中斷源以及看門狗定時器等，可滿足溫度控制器的基本設計及擴展設計需求。
溫度傳感器采用鎳鉻／鎳硅熱電偶，該熱電偶具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好等特點，其使用溫度為0～1 300℃，對應輸出為0～5237 mV。溫度變送器采用DBW型，把熱電偶輸出的毫伏信號轉換為0～5 V標準模擬信號。該信號通過A／D轉換器ADC0809的IN0通道輸入，從而轉換為數字信號，再由AT89S52單片機利用控制程序從P0口輸入其內部RAM單元，以便與溫度設定值進行比較。模糊控制器輸出控制量通過P1．0輸出，通過光電雙向可控硅驅動器MOC3051去驅動功率可控硅，從而改變加熱元件的加熱功率，以實現溫度調節(jié)的目的。
考慮到系統的人機互動，利用并行接口芯片8155進行I／O口擴展，以完成鍵盤輸入及顯示器輸出的設計。其中鍵盤采用矩陣式鍵盤，負責參數的設定和一些開關量的輸入，如：啟動、停止、復位、溫度設定、設定值修改、溫度數字鍵等；而顯示器采用LED顯示器，用于同時顯示系統設定溫度及實際溫度。

2 雙模糊控制算法設計
2．1 雙模糊控制器結構設計
本模糊控制器采用雙模糊控制結構以及典型的雙輸入、單輸出方式，如圖2所示。將溫度設定值與溫度反饋值之間的誤差e及變化率ec作為輸入量，將溫度控制量u作為輸出量。由于系統在不同的控制狀態(tài)下存存大小不同的誤差，若考慮單模糊控制器設計，將使系統的快速響應及控制精度之間存在矛盾，兩者無法兼顧。為此，采用雙模糊控制器設計，并人為設置一個誤差臨界值完成雙模控制切換。在系統初始階段，系統誤差較大，使用系統因子Kec、Ku相對較小(如Kec1、Ku1)的模糊控制器，以實現快速響應，消除誤差的目的；在系統穩(wěn)態(tài)階段，系統誤差較小，使用系統因子Kec、Ku適當增加(如kec2、Ku2)的模糊控制器，以改善系統的穩(wěn)態(tài)性能。